CN110893867A - 脱轨检测装置以及相关的铁路车辆和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种脱轨检测装置(26)，该脱轨检测装置被构造为设置在铁路车辆上，该铁路车辆被构造为在铁路轨道(22)的导轨(20)上移动。脱轨检测装置(26)包括：磁性组件，其包括至少一个磁体并被构造为面向导轨(20)中的一个设置；传感器(30)，其被配置为测量导轨(20)与磁性组件之间的磁力(F)；以及电子处理模块，其被配置为将测得的磁力与预定的阈值进行比较，并且当测得的磁力低于阈值时发出警报信号。
Description
技术领域
本发明涉及一种脱轨检测装置，其被构造为设置在用于在铁路轨道上移动的铁路车辆上。
背景技术
“脱轨”被理解为铁路车辆的至少一个车轮不再与对应的导轨稳定接合的任何情况。
这包括完全脱轨以及部分脱轨，在完全脱轨中，车轮与导轨完全脱离接合，而在部分脱轨中，车轮在仍与导轨接触时相对于导轨处于异常位置，这可导致完全脱轨。
铁路车辆的脱轨可能造成严重的物质损坏，甚至对乘客造成身体伤害，因此必须迅速被检测到。
然而，铁路车辆尾部的脱轨可能并不总是如在驾驶员通常所在的铁路车辆的头部那样显而易见。因此，甚至在驾驶员注意到脱轨并且采取措施(例如，停止车辆)之前可能已经造成了重大损坏。
出于这个原因，已经提出了许多用于辅助驾驶员的脱轨检测装置和方法。
EP1422119A1公开了一种包括电感式传感器的脱轨检测装置以及一种包括以下步骤的方法：监测装置与轨道导轨之间的相对间隔，并在该间隔高于或低于预定的阈值时启动紧急制动。
然而，由于使用电感式传感器，该脱轨检测装置昂贵且笨重。
发明内容
因此，本发明的一个目的是提供一种脱轨检测装置，其保证相同的安全水平，同时更便宜且重量更轻。
为此目的，本发明提出了一种脱轨检测装置，其中该脱轨检测装置包括：
-磁性组件，其包括至少一个磁体并被构造为面向一个导轨设置；
-传感器，其被配置为测量导轨与磁性组件之间的磁力；以及
-电子处理模块，其被配置为将测得的磁力与预定的阈值进行比较，并且当测得的磁力低于阈值时发出警报信号。
在特定的实施方式中，脱轨检测装置包括单独提出或根据任何技术可行的组合的下列一个或多个可选的特征：
-至少一个磁体是永磁体；
-至少一个磁体的剩磁高于1.0特斯拉；
-传感器是测力传感器；
-脱轨检测装置包括壳体，磁性组件设置在壳体中，壳体被构造为将磁性组件与壳体的外部部分地磁隔离；
-外壳由铝制成；
-脱轨检测装置被构造为固定地附接于铁路车辆的轴箱上。
本发明还涉及一种被构造为在铁路轨道的导轨上移动的铁路车辆，该铁路车辆包括至少一个如上所述的脱轨检测装置。
根据本发明的铁路车辆有利地包括至少一个转向架，针对每个转向架，该铁路车辆包括两个脱轨检测装置，这两个脱轨检测装置固定到转向架并且设置成各自设置在铁路轨道的导轨中的相应的导轨的前面。
本发明还涉及一种用于检测如上所述的铁路车辆的脱轨的方法，包括以下步骤：
-测量在导轨与磁性组件之间施加的磁力；
-将测得的磁力与预定的阈值进行比较；以及
-当测得的磁力低于阈值时发出警报信号。
附图说明
通过阅读仅作为非限制性例子给出并参照附图进行的以下描述，将更好地理解本发明，在附图中：
-图1是根据本发明的铁路车辆的仰视图；
-图2是安装在铁路车辆上的脱轨检测装置的立体图；
-图3是图2的脱轨检测装置的另一个立体图；
-图4是图2的脱轨检测装置的仰视图；
-图5是图2的脱轨检测装置的组织图表；
-图6是安装在铁路车辆上的另一个脱轨检测装置的立体图；
-图7是图6的脱轨检测装置的测力传感器的立体图；以及
-图8是图6的脱轨检测装置的仰视图。
具体实施方式
术语“垂直”和“水平”通常相对于在水平导轨上滚动的铁路车辆的通常方向来理解。
图1中所示的铁路车辆10包括至少一个列车车厢12。
每个列车车厢12与支撑列车车厢12的至少一个转向架14相关联。
每个列车车厢12包括至少一个内部隔室，该内部隔室被构造为容纳乘客(乘客室)或货物(货物室)。
例如，每个转向架14位于相关联的列车车厢12的一个末端，并且当铁路车辆10包括多个列车车厢12时支撑两个相邻的列车车厢12，如图1所示。这样的转向架14被称作为两个相邻的列车车厢12“共用”。
根据传统的构造方法，每个列车车厢12由两个转向架14在其各个末端处支撑。
转向架14包括至少一对车轮16，这里是两对车轮16，每对车轮16的两个车轮16都是同轴的。
每对车轮16的两个车轮16例如通过轴18连接，轴18与两个车轮16同轴。
车轮16在转向架14上安装成可旋转运动。车轮16被构造为在铁路轨道22的导轨20上滚动并且使得铁路车辆10能够在被沿着导轨20引导的情况下在导轨20上移动(在图2可见)。
每个导轨20由铁磁材料例如铁或钢构成。
每个轴18在此通过两个轴箱24在转向架14上安装成围绕其轴线旋转，轴箱24以与轴18的每个末端相邻的方式设置。
铁路车辆10还包括至少一个脱轨检测装置26。
每个脱轨检测装置26固定到转向架14上，有利地固定到一个轴箱24上，并且面向两个导轨20中的一个设置(如图2所示)。
有利地，针对每个转向架14，铁路车辆10包括两个脱轨检测装置26，这两个脱轨检测装置26固定到转向架14，并且设置成各自面向铁路轨道22的导轨20中的相应的导轨20设置。
如图1所示，对于各个转向架14，各个脱轨检测装置26与不同的一对车轮和不同的导轨20相关联。因此，两个脱轨检测装置26关于由转向架14的车轮16限定的假想矩形设置为对角相对。因此，两个脱轨检测装置26可以基本相同，使得不需要为转向架14的每一侧调整脱轨检测装置26。
脱轨检测装置26基本相同，现在将参照图2至图5仅描述一个脱轨检测装置26。
脱轨检测装置26包括至少一个磁性组件28、测力传感器30和电子处理模块32。
脱轨检测装置26还包括壳体34和固定结构36。
磁性组件28包括至少一个磁体37。
有利地，如图4所示，磁性组件28包括三个磁体37。
每个磁性组件28被构造为面向一个导轨20设置。
每个磁体37有利地是永磁体。永磁体由被磁化的材料制成并产生其自身的持久磁场。
每个磁体37有利地是钕磁体。钕的使用使磁体37能够强烈地被磁化，而不会太重和/或庞大。
特别地，每个磁体37的剩磁高于1.0特斯拉。
每个磁体37的重量低于0.5kg，特别是在0.3kg和0.7kg之间。
每个磁体37例如具有平行六面体形状。
每个磁体37优选地限定了低于62.5cm3、特别是在50cm3和100cm3之间的内部容积。
在变型中，每个磁体37是电磁体。电磁铁是磁场由电流产生的磁铁。
磁性组件28设置在壳体34中。
壳体34被构造为将磁性组件28与壳体34的外部部分地磁隔离。
特别地，在图3和图4中可见，壳体34被构造为在除了朝向相关的导轨20(这里是向下)之外的所有方向上隔离磁性组件28。
有利地，壳体34由铝制成。铝是非磁性材料。
磁性组件28包括被磁化的磁体37，并且导轨20由铁磁材料构成，在导轨20与磁性组件28之间产生磁力F。
测力传感器30被构造为测量导轨20与磁性组件28之间的磁力F。
在当前情况下，磁性组件28经由测力传感器30固定到转向架14。因此，测力传感器30可以测量在磁性组件28与相关的导轨20之间施加的吸引力。
由导轨20施加在磁性组件28上的磁力F在图2中示出。
磁力F在此是吸引力。
磁性组件28与相应的导轨20之间的磁力F的强度随磁性组件28与该导轨20之间的距离而变。
当导轨20与磁性组件28之间的距离增加时，磁力F的强度减小。
作为例子，当铁路车辆10位于导轨20上时，图4的包括三个磁体37的磁性组件28与导轨20之间的磁力F的强度大约为600N。
测力传感器30例如是换能器，其被配置为产生电信号且确定对应测得的磁力Fm，电信号的大小与磁力F成正比。
测力传感器30包括沿平行于导轨20的水平轴线延伸的应变仪38以及测量模块39。
应变仪38的一个末端通过固定结构36固定到转向架14，另一个末端固定到磁性组件28。
应变仪38被构造为在磁性组件28相对于转向架14移动时、特别是当磁性组件28因磁力F而被导轨20吸引时发生变形。
应变仪38的变形改变其电阻，改变的量与磁力F成比例。
参照图5，测量模块39被配置为检测应变仪38的电阻变化并确定对应测得的磁力Fm。
测量模块39被配置为将测得的磁力Fm的值发送到处理模块32。
测力传感器30有利地容纳在保护盒(未被示出)中。
处理模块32被配置为将测得的磁力Fm与预定的阈值Ft进行比较，并且当测得的磁力Fm低于阈值Ft时发出警报信号S。
当发生车轮16的脱轨时，脱轨检测装置26的磁性组件28不再面向相关的导轨20，并且磁性组件28与导轨20之间的磁力F减小。
因此，阈值Ft被确定为低于铁路车辆10在导轨20上滚动时在正常条件下测得的磁力Fm。
特别地，阈值Ft近似等于零，特别是低于50N。
如图5所示，警报信号S有利地由紧急制动模块40接收，紧急制动模块40被配置为在接收到警报信号S时触发紧急制动。
紧急制动模块40例如是铁路车辆10的称为列车控制和管理系统(TCMS)的控制系统的一部分。
脱轨检测装置24的固定结构36被构造为将测力传感器30刚性地连接至轴箱24。
有利地，固定结构36被构造为允许在多个分立的调节位置中的一个调节位置或一个构造下或者在两个极端位置或构造之间的无限位置或构造下，调节磁性组件28相对于对应的导轨20的位置。
在图2至图4所示的例子中，固定结构36包括两个支架42、44。每个支架42、44有利地由钢制成。
如图2和图3所示，每个支架42、44为L形。
每个支架42、44包括限定支架42、44的L形的两个分支，分别为46、48和50、52。
第一支架42固定到轴箱24。
第一支架42的分支46、48沿相应的垂直平面延伸，两个垂直平面彼此垂直。
第一分支46有利地通过四个螺栓54固定到轴箱24。四个螺栓54形成假想矩形的顶部。
第二分支48有利地通过有利的四个螺栓56固定到第二支架44。四个螺栓56形成假想矩形的顶部。
第二分支48设置有多个孔58，螺栓56延伸穿过孔58。
孔58被构造为在两个支架42、44之间限定多个固定构造，以便调节脱轨检测装置26的位置，例如，根据车轮16的磨损。这里，孔58限定了八个不同的分立构造，以调节脱轨检测装置26的位置，例如高度增加5毫米。
第一支架42可选地包括沿水平平面延伸的第一角部加强件60。第一角部加强件60固定到第一支架42的两个分支46、48，以防止第一支架42变形。
第二支架44的两个分支50、52沿相应的平面延伸，两个平面彼此垂直。第一分支50沿垂直平面延伸，第二分支52沿水平平面延伸。
第一支架42的第二部分48通过四个螺栓56固定到第二支架44的第一分支50。
第二支架44的第一分支50限定四个孔62，螺栓56延伸穿过孔62。孔62例如是椭圆形孔。
测力传感器30固定到第二支架44的第二部分48。
第二支架44可选地包括第二角部加强件64。第二角部加强件64固定到第二支架44的两个分支50、52并且防止第二支架44的变形。
第二支架44可选地包括保护屏障66。保护屏障66从第二分支52的与车轮16相对的末端垂直突出。保护屏障66保护磁性组件28免受在铁路车辆10滚动时可能会撞击磁性组件28的外部元件的影响。
现在将描述用于检测铁路车辆10的脱轨的方法。
最初，铁路车辆10在铁路轨道22的导轨20上移动。
特别地，每个车轮16在相关的导轨20上滚动。
每个脱轨检测装置26面向一个导轨20设置。具体地，每个脱轨检测装置26的磁性组件28设置为与一个导轨20配准。
有利地，对于每个转向架14，两个脱轨检测装置26面向相应的一个导轨20设置。具体地，每个轴18与两个脱轨检测装置26中的一个相关联。
对于每个脱轨检测装置26，在导轨20与磁性组件28之间产生吸引磁力F。
这产生了测力传感器30的应变仪38的变形。应变仪38的变形改变其电阻，其改变量与磁力F成比例。测量模块39检测应变仪38的电阻的变化并确定对应测得的磁力Fm。
因此，测力传感器30通过确定测得的磁力Fm来测量施加在导轨20与磁性组件28之间的磁力F。
测量模块39将测得的磁力Fm的值发送到处理模块32。
处理模块32将测得的磁力Fm与预定的阈值Ft进行比较。
当铁路车辆10在铁路轨道24上正常移动时，测得的磁力Fm保持高于阈值Ft并且处理模块32是被动的。
如果在铁路车辆10的移动期间发生事故，例如一个车轮16脱轨，则车轮16和相关的车轴18不再与导轨20稳定接合。然后，与有问题的轴18相关联的脱轨检测装置26不再面向相应的导轨20设置。
结果，磁性组件28与导轨20之间的磁力F显著减小。因此，特别地，测得的磁力Fm低于阈值Ft。
当处理模块32检测到测得的磁力Fm低于阈值Ft时，处理模块32发出警报信号S。警报信号S由紧急制动模块40接收，紧急制动模块40触发紧急制动。
因此，在诸如完全脱轨之类的事故发生之前非常快速地停止铁路车辆10，在完全脱轨中，多个车轮16与铁路轨道22完全脱离接合，并且完全脱轨在铁路车辆10翻车的情况下可能导致材料损坏和身体伤害。
因此，脱轨检测装置26保证了铁路车辆10的高安全性。
此外，由于使用了磁体37，装置26比现有技术中公开的脱轨检测装置更便宜和更轻。
脱轨检测装置26易于安装在每种类型的铁路车辆10上，并且由于固定孔58的不同构造，脱轨检测装置26到轴箱24的固定适应车轮16的磨损。
另外，由于脱轨检测装置26可由操作者直接接近，因此容易完成装置26的维护。
根据本发明的第二脱轨检测装置126在图6至图8中示出。
第二脱轨检测装置126与第一脱轨检测装置26的不同之处在于，第二装置126的固定结构36包括主支架68和两个辅助支架70。
主支架68和两个辅助支架70例如由铝制成。铝的使用使获得的装置126能够比第一装置26更轻。
主支架68经由两个辅助支架70刚性地固定到轴箱24，如，通过验收穿过辅助支架70的螺栓72。如图所示，提供了四个螺栓72，每个辅助支架70由两个螺栓72穿过。
每个辅助支架70沿平行于导轨20的水平轴线延伸。
主支架78包括三个区段74、76、78，第一区段74刚性地固定到两个辅助支架70，第二区段76在第一区段74和第三区段78之间延伸。第二区段76例如是在导轨20的方向上倾斜的斜坡。
第三区段78限定例如内部容积体80。测力传感器30设置在内部容积体80中。特别地，测力传感器30的应变仪38垂直设置。
磁性组件28由应变仪38垂直支撑。结果，当磁性组件28被导轨20吸引时，应变仪38沿垂直轴线延伸变形。
测力传感器30通过调节装置82固定到第三区段78，调节装置82被构造为调节磁性组件28与导轨20之间的垂直距离，例如根据相关车轮16的磨损。
在图8中可见，磁性组件28包括例如两个磁体37。
检测包括第二装置126的铁路车辆10的脱轨的方法与上面针对第一脱轨检测装置26描述的方法相同，因此将不再描述。
因此，对于铁路车辆10，第二脱轨检测装置126保证了与第一脱轨检测装置26相同的安全水平，同时甚至可能更轻。
Claims (10)
1.一种脱轨检测装置(26，126)，其被构造为设置在铁路车辆(10)上，所述铁路车辆(10)被构造为在铁路轨道(22)的导轨(20)上移动，其中所述脱轨检测装置(10)包括：
-磁性组件(28)，其包括至少一个磁体(37)并被构造为面向所述导轨(20)中的一个设置；
-传感器(30)，其被配置为测量所述导轨(20)与所述磁性组件(28)之间的磁力(F)；以及
-电子处理模块(32)，其被配置为将测得的磁力(Fm)与预定的阈值(Ft)进行比较，并且当测得的磁力(Fm)低于所述阈值(Ft)时发出警报信号(S)。
2.根据权利要求1所述的脱轨检测装置(26，126)，其中，所述至少一个磁体(37)是永磁体。
3.根据权利要求2所述的脱轨检测装置(26，126)，其中，所述至少一个磁体(37)的剩磁高于1.0特斯拉。
4.根据权利要求2所述的脱轨检测装置(26，126)，其中，所述传感器是测力传感器。
5.根据权利要求1所述的脱轨检测装置(26，126)，其包括壳体(34)，所述磁性组件(28)设置在所述壳体(34)中，所述壳体(34)被构造为将所述磁性组件(28)与所述壳体(34)的外部部分地磁隔离。
6.根据权利要求5所述的脱轨检测装置(26，126)，其中，所述壳体(34)由铝制成。
7.根据权利要求1所述的脱轨检测装置(26，126)，其中，所述脱轨检测装置(26，126)被构造为固定地附接于所述铁路车辆(10)的轴箱(24)上。
8.一种铁路车辆(10)，其被构造为在铁路轨道(24)的导轨(20)上移动，所述铁路车辆(10)包括至少一个根据前述任一项权利要求所述的脱轨检测装置(26，126)。
9.根据权利要求8所述的铁路车辆(10)，其包括至少一个转向架(14)，针对每个转向架(14)，所述铁路车辆(10)包括两个脱轨检测装置(26，126)，所述两个脱轨检测装置(26，126)固定到所述转向架(14)，并且设置成各自设置在所述铁路轨道(22)的所述导轨(20)中的相应的导轨(20)的前面。
10.一种用于检测根据权利要求8所述的铁路车辆(10)的脱轨的方法，所述方法包括以下步骤：
-测量在所述导轨(20)与所述磁性组件(28)之间施加的磁力(F)；
-将测得的磁力(Fm)与预定的阈值(Ft)进行比较；以及
-当测得的磁力(Fm)低于所述阈值(Ft)时发出警报信号(S)。
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